Рельсовые пути трамваев - Виды и конструкции земляного полотна

Глава II
ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО И ИСКУССТВЕННЫЕ СООРУЖЕНИЯ
ВИДЫ И КОНСТРУКЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Земляное полотно является одним из главных элементов пути. Как устойчивость здания зависит от надежности фундамента, так от состояния земляного полотна зависит исправность всего пути.
Уложить путь непосредственно на естественную поверхность земли нельзя. Ограниченность уклонов, допускаемых на железнодорожных и трамвайных линиях, необходимость спланировать  землю так, чтобы отвести от пути воду, наличие на поверхности растительного слоя, строительного мусора и т. п. определяют необходимость земляных работ при строительстве пути.
Чтобы получить запроектированную линию земляного полотна, в одних местах требуется досыпать грунт, недостающий до нужных отметок, в других — срезать его избыток. Такие досыпки грунта называются насыпями, срезки — выемками. На границах участков — на переходах выемки в насыпь, которые называются нулевыми местами, — путь укладывается по естественному рельефу. Иногда путь приходится сооружать на косогорах. В этом случае возводятся полунасыпи, полувыемки или полунасыпи-полувыемки.
Такие конструкции земляного полотна применяются при строительстве подъездных и внутризаводских путей, а также трамвайных путей, расположенных на самостоятельном полотне с открытым балластным слоем. Для трамвайных путей, размещаемых на совмещенном или обособленном полотне и имеющих в силу этого заглубленный балластный слой, земляное полотно сооружается в виде котлована (корыта).
Во всех случаях к земляному полотну предъявляются общие требования: земляное полотно должно быть прочным, устойчивым и долговечным; оно должно быть полностью обеспечено постоянно исправными водоотводными сооружениями; расходы по устройству, ремонту и содержанию земляного полотна должны быть возможно меньшими.
При проектировании земляного полотна на промышленной площадке или в условиях городской застройки следует учитывать возможность его переувлажнения производственными или коммунальными водами и при необходимости предусматривать защитные меры.
Разнообразие грунтов, составляющих земляную поверхность, при использовании их для устройства земляного полотна приводит к неоднородности основания пути. Это нежелательно. Неравнопрочность и неравноупругость основания ведут к быстрому расстройству пути в целом. Физические и механические свойства различных грунтов зависят от факторов переменных — геометрических, гидрогеологических и климатических условий и от факторов постоянных — формы и размеров частиц грунта. Эти факторы оцениваются техническими характеристиками грунта, к которым относятся удельный и объемный вес, влажность, пористость, плотность, коэффициенты фильтрации и внутреннего трения.
Удельный вес грунта есть отношение веса твердых частиц в каком-нибудь объеме к объему этих частиц. Объемный вес — это фактический вес единицы объема. Объемный вес, как правило, меньше удельного веса одного и того же грунта. Влажность грунта понимается как содержание в грунте воды, выраженное в процентах к весу высушенного при 100—105°С того же объема грунта. 

Пористость грунта определяется коэффициентом пористости (отношением объема пор в образце грунта к объему твердых частиц и этом образце) и общей пористостью (отношением объема пор к общему объему образца в процентах). Степень плотности — отношение разницы в объемах образца грунта в разрыхленном и естественном состоянии к максимально возможной разнице между этими объемами. Наконец, коэффициент фильтрации есть скорость проникновения воды через грунт при разности напоров и пути в толще грунта, равном единице длины, а коэффициент внутреннего трения — тангенс угла естественного откоса грунта.
Наименование грунтов определяет их гранулометрический состав — размеры частиц грунта. Так, глинистые частицы имеют размеры в 0,005 мм и меньше, пылеватые — от 0,005 до 0,05, песчаные — от 0,05 до 2, гравелистые — от 2 до 40, булыжник и галька — от 40 до 200 мм. Обычно грунты представляют собой сочетание частиц разных размеров в определенных пропорциях. Крупнообломочные грунты (галечные и щебенистые) содержат более 50% по весу частиц крупнее 2 мм, к песчаным относятся грунты, содержащие более 50% частиц крупнее 0,5 мм (крупнозернистые), крупнее 0,25 мм (среднезернистые), крупнее 0,1 мм (мелкозернистые), крупнее 0,01 мм (пылеватые); глинистые грунты содержат частицы от 0,01 мм и мельче.
В природе встречается большое разнообразие грунтов. Скальные грунты обладают свойствами твердых тел и могут в насыпях и выемках надежно держать вертикальные откосы. Различные пески и гравелистые грунты, хорошо дренируя воду, могут удерживать откосы за счет сил внутреннего трения. В сухом состоянии песок обладает свойством текучести. Глины, которые при высыхании представляют собой весьма твердый материал, хорошо впитывают воду, при этом они увеличиваются в объеме и расплываются. Супесь представляет собой песок с примесью до 50% пылеватых частиц и от 3 до 12% глинистых. Суглинки — это глины, содержащие не менее 40% песчаных частиц, до 40% пылеватых и до 20 % глинистых. Кроме того, известны лёссы (пылеватые, высокопористые грунты, хорошо фильтрующие воду, но теряющие сцепление при избыточном увлажнении), мергели (как бы переходная степень между глинами и известняками), солончаки, гипсоносы и др.
Без ограничения для сооружения земляного полотна допускают скальные, крупнообломочные, крупнозернистые песчаные группы, супеси и суглинки. Нежелательно применение глинистых грунтов без специальных мер их стабилизации. Подверженные избыточному увлажнению глины, засоленные грунты, торф не допускаются при устройстве насыпей. Не следует, кроме того, использовать для сооружения земляного полотна растительный слой грунта, а также грунт с включениями строительного мусора. Такие случаи часто встречаются на промышленных площадках и городских территориях. Растительный грунт и мусор должны удаляться.

Таблица 6. Изменение объема грунтов при разработке

Следует иметь в виду, что при разработке плотного грунта значительно увеличивается его объем. Точно также разрыхленный грунт уплотняется при производстве строительных работ или под действием собственного веса. При расчетах перевод соответствующих объемов выполняется по данным табл. 6.
В табл. 7 приведены данные, характеризующие давление, допускаемое для различных грунтов.
Поверхность земляного полотна, на которую непосредственно укладывается балластный слой, называется основной площадкой. В зависимости от количества путей (1, 2 или более) она может иметь односкатный, двускатный или пилообразный профиль, обеспечивающий направленный сток воды в поперечном направлении. При хорошо дренирующих грунтах допускается горизонтальный профиль земляного полотна трамвайного пути. Участки основной площадки, свободные от балластного слоя или от безбалластного основания пути, называются обочинами.

Таблица 7. Допускаемое давление на грунт, МПа (кгс/см²)

Боковые наклонные плоскости насыпей и выемок называются откосами. При этом линия пересечения откоса с основной площадкой (или для выемки — с поверхностью земли) именуется бровкой, а с основанием насыпи — подошвой откоса. Полоса земли между подошвой откоса и водоотводным устройством называется бермой. Крутизна откоса имеет количественную оценку. Это тангенс угла наклона откоса к горизонту или, иначе, отношение вертикальной проекции, образующей откос (высоты откоса), к ее горизонтальной образующей (заложению). Обычно крутизну откоса определяют дробью 1/п, где п показывает, во сколько раз заложение больше или меньше «высоты откоса. Например, крутизна откоса 1/1,5 означает, что заложение в полтора раза больше высоты.
Высотой насыпи считается расстояние от уровня бровок до основания по оси насыпи, глубиной выемки или котлована — расстояние от уровня бровок основной площадки (дна котлована) до пересечения оси выемки (котлована) с линией, соединяющей бровки откосов.
Ширина основной площадки может быть вычислена по формуле
В =l + 2m + 2п + 2S,
где l — ширина междупутья; m — расстояние от оси пути до бровки балластной призмы; п — заложение откоса балластной призмы; S — ширина обочин.
Ширина основной площадки однопутного земляного полотна на путях с открытым балластным слоем принимается по табл. 8. При двух путях и более размеры основной площадки земляного полотна увеличиваются на ширину междупутий, а в кривых участках пути — ещё и на величину, указанную в табл. 9. Увеличение ширины основной площадки земляного полотна в кривых выполняется с наружной стороны.

Таблица 8. Ширина основной площадки самостоятельного земляного полотна, м, на прямых участках пути с открытым балластным слоем

Таблица 9. Уширение земляного полотна в кривых

Ширина основной площадки заглубленного земляного полотна принимается равной длине шпалы и ширине двух зазоров между торцами шпалы и откосом корыта (по 0,15 м) с учетом ширины междупутья. Зазоры необходимы для более равномерного распределения давления на грунт, а также для обеспечения технологической возможности рихтовки пути.
На станциях, разъездах, разворотных кольцах, на подходах к мостам и путепроводам ширина основной площадки земляного полотна устанавливается по специальному расчету.
Типовые поперечные профили земляного полотна делятся на нормальные и специальные. Нормальные профили (рис. 11, 12, 13) применяются при возведении земляного полотна в обычных условиях, специальные являются типовыми, например, для условий вечной мерзлоты, при повышенной снегозаносимости и т. п. 

Рис. 11. Нормальный поперечный профиль насыпи для трамвайной линии на самостоятельном полотне

Рис. 12. Нормальный поперечный профиль выемки для трамвайной линии на самостоятельном полотне

Рис. 13. Нормальный поперечный профиль насыпи на косогоре с поперечным уклоном ί<1:5 (а) и ί≥1:5(б)

Сооружение земляного полотна на неустойчивых косогорах, в оползневых или карстовых зонах, на болотах, слабых грунтах, в условиях периодического подтопления и в карьерных забоях производится по индивидуальным проектам. Размеры элементов земляного полотна определяют расчетом исходя из уже известной ширины основной площадки, высоты (глубины), заданной продольным профилем, и допускаемой крутизны откоса, зависящей от рода грунта (табл. 10). Иногда соблюдение расчетной крутизны откосов оказывается неэкономичным или даже невозможным из-за стесненности условий. В этом случае пологие земляные откосы заменяют подпорные стенки, бетонные, железобетонные или каменные. Каждая выемка должна быть надежно ограждена от попадания воды системой водоотводных канав.
Такие же типовые решения применяются ври возведении земляного полотна подъездных и внутризаводских путей с открытым балластным слоем.
Земляным полотном трамвайного пути, расположенного на проезжей части улицы, является котлован, который вырыт для размещения путевой конструкции в соответствии с требованиями вертикальной планировки (рис. 14). Такое земляное полотно не отводит воду в сторону, а собирает ее в себя. 

Таблица 10. Крутизна откосов при различных грунтах

Кроме того, земляная поверхность под проезжей частью улиц может иметь самые разнообразные грунты, вплоть до смеси растительного слоя со строительным мусором—все это усложняет условия работы пути и его земляного полотна.
Относительная отметка основной площадки — в данном случае дна котлована — при обычно принимаемых типах конструкции пути находится в пределах 0,5—0,6 м. Считается, что такое заглубленное полотно может обходиться без откосов, котлован в соответствии с этим обычно устраивается с вертикальными стенками. Дну котлована придается поперечный уклон: односторонний — в сторону уличного лотка, если не делается подпутевой дренаж, или в сторону дренажа при его боковом расположении; двусторонний — при центральном расположении дренажа. (Следует отметить нежелательность бокового дренажа, так как при этом возникает опасность дополнительного увлажнения призмы или необходимость уширения котлована.) Уклон этот зависит от грунтов и конструкции земляного полотна и бывает для глинистых грунтов и недренирующих мелких и пылеватых песков в пределах 0,01—0,03. Планировка дна котлована очень важна. Застой воды на основной площадке земляного полотна резко понижает его несущую способность.
Продольные уклоны дна котлована определяются уклонами проезжей части улиц, а также принятой системой водоотвода. В соответствии с этим глубина котлована будет одинаковой на всем протяжении линии. При обособленном полотне она может быть переменной, так как путь на подходах к пересекающим его проездам постепенно понижается. Иногда при сооружении пути на обособленном полотне котлован не устраивается, по соответствующим образом спланированной поверхности земли укладывается незаглубленная балластная призма.